最近，iPrint的Sebastian Filliger介紹了與STEINEMANN DPE和Polytype AG合作開(kāi)發(fā)噴頭噴嘴狀態(tài)檢測(cè)解決方案的情況。

iPrint是一家數(shù)字印刷研究所，隸屬于瑞士弗里堡工程與建筑學(xué)院（HEIAFR），是瑞士西部應(yīng)用科學(xué)與藝術(shù)大學(xué)（HES-SO）的成員。該研究所與 STEINEMANN DPE（庫(kù)爾茲旗下公司）和Polytype AG合作。

iPrint開(kāi)發(fā)并測(cè)試了專門的傳感硬件和分析軟件，Polytype AG將其集成到噴頭驅(qū)動(dòng)板中。這項(xiàng)技術(shù)無(wú)需進(jìn)行圖像處理即可評(píng)估單個(gè)噴嘴的噴射性能。STEINEMANN DPE在實(shí)際工業(yè)印刷條件下對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行了廣泛測(cè)試。結(jié)果表明，可以顯著降低生產(chǎn)成本。

噴頭噴嘴狀態(tài)檢測(cè)

噴墨具有生產(chǎn)率高、與各種液體和基材兼容等優(yōu)點(diǎn)，正日益成為數(shù)字生產(chǎn)的首選解決方案。噴墨系統(tǒng)的核心是噴頭，它是一種精密設(shè)備，能夠通過(guò)數(shù)千個(gè)獨(dú)立噴嘴按需準(zhǔn)確噴墨。然而，這種復(fù)雜性使得噴頭有些脆弱，難以維修。通過(guò)開(kāi)發(fā)一種更有效的方法來(lái)檢測(cè)單個(gè)噴嘴的狀態(tài)，iPrint及其合作伙伴正在滿足業(yè)界對(duì)更好的噴頭維護(hù)和錯(cuò)誤檢測(cè)系統(tǒng)的需求。

噴頭的一個(gè)常見(jiàn)問(wèn)題是在噴印過(guò)程中噴嘴丟失或偏離，這通常會(huì)導(dǎo)致明顯的產(chǎn)品缺陷（見(jiàn)圖 1）。

目前昂貴的解決方案

目前行業(yè)內(nèi)可用的錯(cuò)誤檢測(cè)解決方案既昂貴又低效。大多數(shù)系統(tǒng)基于對(duì)印刷產(chǎn)品的光學(xué)檢測(cè)，因此僅限于特定的印刷模式。檢測(cè)還需要停止生產(chǎn)和漫長(zhǎng)的維護(hù)周期，從而造成生產(chǎn)損失、油墨浪費(fèi)和噴頭磨損。毫不奇怪，很少有公司真正采用這種系統(tǒng)。大多數(shù)公司更愿意完全依靠操作員的觀察。

感應(yīng)系統(tǒng)

創(chuàng)新的傳感過(guò)程使用噴嘴的壓電致動(dòng)器作為傳感器。致動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)在流體中產(chǎn)生壓力波。這些波在噴嘴腔內(nèi)來(lái)回反彈，向致動(dòng)器施加壓力。這就產(chǎn)生了與壓力變化成正比的微小但可測(cè)量的電流（見(jiàn)圖 2）。

除了識(shí)別有缺陷的噴嘴外，傳感系統(tǒng)還能確定故障的可能原因。這是因?yàn)椴煌膰娮旃收蠒?huì)以不同的方式改變反射模式（見(jiàn)圖 3）。

項(xiàng)目貢獻(xiàn)

在項(xiàng)目開(kāi)始之前，基于壓力波的噴嘴狀態(tài)檢測(cè)的可行性已經(jīng)得到科學(xué)證實(shí)。iPrint及其合作伙伴的主要貢獻(xiàn)在于成功地將該系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)化。為了能夠在真正的打印機(jī)上測(cè)試實(shí)驗(yàn)傳感系統(tǒng)，必須開(kāi)發(fā)一個(gè)透明的中間系統(tǒng)。中間系統(tǒng)位于現(xiàn)有打印系統(tǒng)和打印頭之間，在打印過(guò)程中保持被動(dòng)狀態(tài)，對(duì)打印過(guò)程沒(méi)有任何影響。一旦啟動(dòng)，它就會(huì)斷開(kāi)打印系統(tǒng)并獨(dú)立測(cè)試打印頭。測(cè)試結(jié)果將被發(fā)送到數(shù)據(jù)庫(kù)并顯示給操作員。

該項(xiàng)目的第二個(gè)主要貢獻(xiàn)是利用現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列 (FPGA) 加速技術(shù)大大縮短了測(cè)量時(shí)間。測(cè)量時(shí)間要求低于50毫秒，以避免干擾薄片到薄片 (STS) 工藝，并允許對(duì)所有噴嘴進(jìn)行順序測(cè)試。

噴嘴分類

施加在壓電元件上的壓力會(huì)產(chǎn)生一個(gè)可測(cè)量的信號(hào)，作為噴射性能的指紋。通過(guò)與已知故障案例的各種基準(zhǔn)波形進(jìn)行比較，算法會(huì)計(jì)算出每個(gè)噴嘴的適配值。如果出現(xiàn)重大偏差，系統(tǒng)會(huì)向機(jī)器發(fā)出警報(bào)，指出可能的故障原因。

所有噴嘴被分為性能良好、性能不佳或丟失。在獲得噴頭的完整概覽后，操作員可以根據(jù)自己的經(jīng)驗(yàn)決定是否進(jìn)行維護(hù)或恢復(fù)打印。iPrint正在實(shí)現(xiàn)這一決策過(guò)程的自動(dòng)化。

運(yùn)行測(cè)試

在實(shí)際工業(yè)條件下，在STEINEMANN DPE的DM-MAXLINER 3D單程數(shù)碼上光印刷系統(tǒng)上對(duì)傳感系統(tǒng)進(jìn)行了為期六個(gè)月的評(píng)估。四個(gè)噴頭配備了該系統(tǒng)。操作員定期對(duì)同一噴頭進(jìn)行帶有時(shí)間戳的手動(dòng)噴嘴檢查。測(cè)試期結(jié)束后，對(duì)傳感系統(tǒng)產(chǎn)生的分類與手動(dòng)噴嘴檢查的數(shù)據(jù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析。

結(jié)果令人印象深刻--傳感系統(tǒng)正確識(shí)別了 98.4% 性能不佳的噴嘴，沒(méi)有出現(xiàn)一個(gè)誤報(bào)。只有 1.6% 的性能不佳噴嘴未被檢測(cè)到（假陰性）。

圖 5：人機(jī)界面顯示缺少噴嘴的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和位置

如圖6所示，該系統(tǒng)的輸出結(jié)果很容易解釋。使用簡(jiǎn)單的閾值就能區(qū)分性能好、性能差和缺失的噴嘴所產(chǎn)生的數(shù)值。

結(jié)論

該系統(tǒng)可在兩次印刷之間的20毫秒內(nèi)檢測(cè)出STS流程中性能不佳和缺失的噴嘴。在100米/分鐘的速度下，這相當(dāng)于3.3厘米的間隙。缺失噴嘴的檢測(cè)率為98.4%，同時(shí)還能檢測(cè)到偏離的噴嘴。盡管目前還沒(méi)有足夠的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。該系統(tǒng)在一臺(tái)工業(yè)打印機(jī)上進(jìn)行了6個(gè)多月的測(cè)試，打印質(zhì)量和機(jī)器可靠性沒(méi)有任何下降。

這種創(chuàng)新的傳感系統(tǒng)消除了人工檢查的需要，使噴頭維護(hù)更加高效。通過(guò)依靠噴嘴發(fā)出的物理信號(hào)，而不是對(duì)打印產(chǎn)品進(jìn)行光學(xué)檢測(cè)，該系統(tǒng)能夠不受打印模式和墨水顏色的影響，甚至可以對(duì)透明墨水進(jìn)行錯(cuò)誤檢測(cè)。